一种恒流控制电路及开关电源电路的制作方法

本发明涉及恒流控制技术领域，尤其涉及一种恒流控制电路及包括该恒流控制电路的开关电源电路。

背景技术：

应用于原边控制的反激拓扑的输出电流通用表达式为：

其中，np表示变压器的原边匝数，ns表示变压器的副边匝数，ip,pk表示变压器原边峰值电流，tdem表示退磁时间，tsw表示开关管工作周期。

在现有的传统恒流控制方式中，变压器原副边匝比和采样电阻rcs均保持不变，在恒流控制环路中，可以通过环路反馈控制确保vcs,pk和为常量，即可保证输出电流均值为恒定值。例如，在控制电路中，假设该拓扑反激变压器原副边匝比采样电阻rcs＝862.5mω。若采用传统恒流控制方式，分别控制两个变量为恒定值，则通过反馈环路控制cs峰值电压vcs,pk＝500mv，同时控制退磁时间与周期的比值得到最终负载输出电流可以恒定为2a。但是在传统恒流控制方式下，由于变量需要分别单独控制，变量各自存在其分布范围和各自受影响的因素，这会导致最终恒流输出精度低。例如，在上述举例中，由于vcs,pk＝500mv的变量控制，以及的变量控制是单独分开环路反馈控制的，最终输出情况往往没有理论设计时这么理想，假设各自最终输出存在1％的偏差，那么实际得到的控制变量vcs,pk＝495mv，得到负载输出电流为1.96a，与预设的2a电流输出存在2％的误差，即最终输出电流的误差被放大了。

因此，如何能够提高恒流控制电路中的输出电流精度成为当下亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种恒流控制电路及包括该恒流控制电路的开关电源电路，以解决现有技术中的问题。

作为本发明的第一个方面，提供一种恒流控制电路，其中，所述恒流控制电路包括：退磁检测电路、采样保持电路、跨导运算放大电路、比例缓冲器、pwm比较器和rs触发器，所述退磁检测电路和所述采样保持电路均与所述跨导运算放大电路的输入端连接，所述跨导运算放大电路的输出端与所述比例缓冲器的输入端连接，所述比例缓冲器的输出端连接至所述pwm比较器的反相输入端，所述pwm比较器的输出端连接至所述rs触发器的输入端，所述rs触发器的输出端反馈连接至所述采样保持电路的输入端，所述采样保持电路的输入端和所述pwm比较器的同相输入端还用于输入采样电压信号；

所述采样保持电路用于对所述采样电压信号进行采样和保持，得到采样保持电压；

所述退磁检测电路用于输出退磁时间信号；

所述跨导运算放大电路用于对所述采样保持电压通过所述退磁时间信号进行控制得到采样电流信号；

所述比例缓冲器用于对所述采样电流信号进行比例缩减控制得到比例缩减信号；

所述pwm比较器用于对所述比例缩减信号以及所述采样电压信号进行比较得到关断信号；

所述rs触发器用于对所述关断信号进行处理得到开关管逻辑控制信号以控制功率开关管的导通与关断。

优选地，所述恒流控制电路还包括功率管导通信号发生器，所述功率管导通信号发生器用于产生导通信号。

优选地，所述rs触发器的s输入端连接所述功率管导通信号发生器，所述rs触发器的r输入端连接所述pwm比较器的输出端，所述rs触发器用于在所述导通信号的作用下对所述关断信号进行处理得到所述开关管逻辑控制信号。

优选地，所述恒流控制电路还包括栅极驱动电路，所述栅极驱动电路的输入端连接所述rs触发器的输出端，所述栅极驱动电路用于对所述开关管逻辑控制信号进行处理得到开关管驱动信号，并输出所述开关管驱动信号。

优选地，所述恒流控制电路还包括基准电路，所述基准电路分别与所述退磁检测电路、跨导运算放大电路、采样保持电路、比例缓冲器和pwm比较器连接，用于提供基准电压信号和基准电流信号。

优选地，所述采样保持电路包括第一开关管和采样保持电容，所述第一开关管的驱动端连接所述rs触发器的输出端，所述第一开关管的第一端连接所述采样保持电容的一端，所述第一开关管的第二端用于输入所述采样电压信号，所述采样保持电容的另一端连接信号地。

优选地，所述跨导运算放大电路包括：第二开关管、第三开关管和跨导运算放大器，所述第二开关管的驱动端与所述退磁检测电路的输出端连接，所述第二开关管的第一端连接第三开关管的第一端，所述第二开关管的第二端连接所述采样保持电容的一端，所述第三开关管的驱动端连接所述退磁检测电路的输出端，所述第三开关管的第二端连接信号地，所述跨导运算放大器的正相输入端用于输入基准电压信号，所述跨导运算放大器的反相输入端连接所述第二开关管的第一端，所述跨导运算放大器的输出端用于输出所述采样电流信号。

优选地，所述比例缓冲器包括：运算放大器、第四开关管、第一分压电阻和第二分压电阻，所述运算放大器的正相输入端用于输入所述采样电流信号，所述运算放大器的反相输入端连接至所述第四开关管的第二端，所述运算放大器的输出端连接所述第四开关管的驱动端，所述第四开关管的第一端连接输入电压信号，所述第四开关管的第二端连接所述第一分压电阻的一端，所述第一分压电阻的另一端通过所述第二分压电阻连接信号地。

优选地，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管均包括n型开关管。

作为本发明的第二个方面，提供一种开关电源电路，其中，所述开关电源电路包括：整流滤波电路、rcd能量吸收电路、变压器、输出控制电路、功率开关管和前文所述的恒流控制电路，所述整流滤波电路与所述rcd能量吸收电路以及所述恒流控制电路连接，所述恒流控制电路的输出端与所述功率开关管的驱动端连接，所述功率开关管和所述rcd能量吸收电路均与所述变压器的源边连接，所述变压器的副边与所述输出控制电路连接，所述恒流控制电路能够对所述采样电压信号进行处理后得到开关管逻辑控制信号以控制所述功率开关管的导通与关断。

本发明提供的恒流控制电路，通过采样保持电路实现对采样电压信号进行采样和保持，通过跨导运算放大电路对采样保持电压在退磁时间信号的作用下进行控制得当采样电流信号，最后通过对采样电流信号进行处理得到开关管逻辑控制信号，通过开关管逻辑控制信号可以实现对功率开关管的导通与关断的控制，从而当该恒流控制电路应用在开关电源电路中时能够实现输出电流精度的调节，进而实现输出高精度电流。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明提供的恒流控制电路的结构框图。

图2为本发明提供的开关电源电路的电路结构图。

图3为本发明提供的采样保持电路和跨导运算放大电路的结构图。

图4为本发明提供的比例缓冲器与pwm比较器的电路图。

图5a为本发明提供的功率管导通信号发生器的一种实施方式结构图。

图5b为本发明提供的功率管导通信号发生器的另一种实施方式结构图。

图6为图1中的各个信号的波形图。

图7为图5a中的各个信号的波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

为了实现能够提高恒流控制电路中的输出电流精度，本发明以应用于工作在临界导通模式(bcm)的原边控制隔离式反激变换器为例。主线圈与次级线圈之间进行能量传递；次级线圈将输出信息传递到辅助绕组上，利用变压器实现输入和输出的隔离。通用的开关电源控制系统，均存在功率管的开启和关断两个过程。功率管开启时，原边电感会对地形成一个通路，输入端为变压器提供能量，同时原边电感进行储能，副边二极管截止，负载输出能量由输出电容上存储的能量进行供应；当功率管关断时，变压器释放能量，副边电感释放能量。通过内部反馈电路控制功率管的导通和关断，实现最终输出电流的恒定。

由系统功率级控制原理可得输出电流公式为：

其中，np表示变压器的原边匝数，ns表示变压器的副边匝数，ip,pk表示变压器原边峰值电流，tdem表示退磁时间，tsw表示开关管工作周期。

通过对传统恒流控制方式原理的分析可知，通过采用“唯一”变量控制的方式可以实现高精度恒定电流的输出。因此，本发明提供一种恒流控制电路，以控制上述输出电流公式中的三者变量的乘积为恒定量，此处可以称这个三者变量的乘积为“采样均值”，为恒流控制系统中的“唯一”变量。

具体地，作为本发明的第一个方面，提供一种恒流控制电路112，其中，如图1所示，所述恒流控制电路112包括：退磁检测电路206、采样保持电路207、跨导运算放大电路203、比例缓冲器204、pwm比较器205和rs触发器208，所述退磁检测电路206和所述采样保持电路207均与所述跨导运算放大电路203的输入端连接，所述跨导运算放大电路203的输出端与所述比例缓冲器204的输入端连接，所述比例缓冲器204的输出端连接至所述pwm比较器205的反相输入端，所述pwm比较器205的输出端连接至所述rs触发器208的输入端，所述rs触发器208的输出端反馈连接至所述采样保持电路207的输入端，所述采样保持电路207的输入端和所述pwm比较器205的同相输入端还用于输入采样电压信号；

所述采样保持电路207用于对所述采样电压信号进行采样和保持，得到采样保持电压；

所述退磁检测电路206用于输出退磁时间信号；

所述跨导运算放大电路203用于对所述采样保持电压通过所述退磁时间信号进行控制得到采样电流信号；

所述比例缓冲器204用于对所述采样电流信号进行比例缩减控制得到比例缩减信号；

所述pwm比较器205用于对所述比例缩减信号以及所述采样电压信号进行比较得到关断信号；

所述rs触发器208用于对所述关断信号进行处理得到开关管逻辑控制信号以控制功率开关管的导通与关断。

本发明提供的恒流控制电路，通过采样保持电路实现对采样电压信号进行采样和保持，通过跨导运算放大电路对采样保持电压在退磁时间信号的作用下进行控制得当采样电流信号，最后通过对采样电流信号进行处理得到开关管逻辑控制信号，通过开关管逻辑控制信号可以实现对功率开关管的导通与关断的控制，从而当该恒流控制电路应用在开关电源电路中时能够实现输出电流精度的调节，进而实现输出高精度电流。

具体地，如图1所示，所述恒流控制电路112还包括功率管导通信号发生器202，所述功率管导通信号发生器202用于产生导通信号。

具体地，所述rs触发器208的s输入端连接所述功率管导通信号发生器112，所述rs触发器208的r输入端连接所述pwm比较器205的输出端，所述rs触发器208用于在所述导通信号的作用下对所述关断信号进行处理得到所述开关管逻辑控制信号。

具体地，所述恒流控制电路112还包括栅极驱动电路219，所述栅极驱动电路219的输入端连接所述rs触发器208的输出端，所述栅极驱动电路219用于对所述开关管逻辑控制信号进行处理得到开关管驱动信号，并输出所述开关管驱动信号。

具体地，如图1所示，所述恒流控制电路112还包括基准电路201，所述基准电路201分别与所述退磁检测电路206、跨导运算放大电路203、采样保持电路207、比例缓冲器204和pwm比较器205连接，用于提供基准电压信号和基准电流信号。

需要说明的是，图1中未示出基准电路201与其他电路之间的连接关系。

具体地，如图1和图2所示，基准电路201，用以产生所述恒流控制电路112所需要的各种基准电压和基准电流，例如跨导运算放大电路203所需要的基准电压vref，该电压决定了“采样均值”的值；退磁检测电路206，通过fb信号将退磁时间信号提取出来；采样保持电路207，对恒流控制电路112的cs引脚的输入电压vcs进行采样和保持；跨导运算放大电路203，对采样保持电路207所保持的电压，通过退磁时间信号控制，转换为电流；内置补偿电容217，在本实施例中，内置补偿电容大小为50pf；比例缓冲电路204，对采样电流信号213进行比例缩减并起到缓冲功能；pwm比较器205，将比例缩减信号218和采样电压信号216比较后输出关断信号214；rs触发208器，接收导通控制信号215和关断信号214，最终产生开关管逻辑控制信号210；功率管栅极驱动电路219，将开关管逻辑控制信号210转换为高压功率开关管驱动信号220，并通过恒流控制电路112的bd引脚输出，控制功率开关管113的导通与关断。

具体地，如图3所示，所述采样保持电路207包括第一开关管301和采样保持电容302，所述第一开关管301的驱动端连接所述rs触发器208的输出端，所述第一开关管301的第一端连接所述采样保持电容302的一端，所述第一开关管301的第二端用于输入所述采样电压信号216vcs，所述采样保持电容302的另一端连接信号地。

具体地，如图3所示，所述跨导运算放大电路203包括：第二开关管303、第三开关管306和跨导运算放大器307，所述第二开关管303的驱动端与所述退磁检测电路206的输出端连接，所述第二开关管303的第一端连接第三开关管306的第一端，所述第二开关管303的第二端连接所述采样保持电容302的一端，所述第三开关管306的驱动端连接所述退磁检测电路206的输出端，所述第三开关管306的第二端连接信号地，所述跨导运算放大器307的正相输入端用于输入基准电压信号209，所述跨导运算放大器307的反相输入端连接所述第二开关管303的第一端，所述跨导运算放大器307的输出端用于输出所述采样电流信号213。

优选地，所述第一开关管301、第二开关管303和第三开关管306均可以为n型开关管。

图3以n型开关管为例，所述第一开关管301、第二开关管303和第三开关管306分别通过开关管逻辑控制信号210、退磁信号212和退磁的非信号305控制。

通过恒流控制电路112的引脚cs得到原边峰值电流采样信号，并通过采样电阻后得到采样电压信号216，通过由功率管逻辑控制信号210控制的第一开关管301，对采样电压信号216进行采样。接着，根据励磁电感退磁时间信号212在开关周期内进行平均值运算，从而得到平均电流。在功率管逻辑控制信号210导通时间内，采样保持电容302对原边的采样电压信号216进行采样，即采样保持电容302进行充电；在功率管逻辑控制信号210截止时间内，第一开关管301关断，采样保持电容302通过采样保持信号211vsample放电。在非退磁时内，退磁的非信号305为高电平，退磁信号212为低电平，对应控制第三开关管306导通，对应第二开关管303关断，此时采样均值信号304vcs,sample接地，片内补偿电容217充电；在退磁时间内，退磁信号212为高电平，退磁的非信号305为低电平，对应控制第二开关管303导通，对应第三开关管306关断，片内补偿电容217放电。根据单个周期内，片内补偿电容217上充放电平衡的原理，可以得到如下等式：

gm·(vref-0)·(t-tdem)+gm·(vref-vcs1)·tdem＝0，

其中，vref表示跨导运算放大电路203所需要的基准电压209，tdem表示退磁时间，t表示开关管工作周期，vcs1表示退磁时间下的采样均值电压，gm表示图3所示跨导运算放大器307的等效跨导值。

当充电时间内与放电时间内ota的跨导gm保持不变时，得到如下等式：

对照前文所述的“采样均值”可以发现，这一等式为恒流环路下，所需要控制的“唯一”变量。由等式，在本发明恒流拓扑下，要求跨导运算放大器307在全范围内变化下(0～1v)，跨导恒定不变。跨导307生成pwm比较器205所需的采样电流信号213，经过比例缓冲器204进行一定比例的缩放后，pwm比较器205会根据前级电路的输出和相应的采样电压信号216进行比较，生成相应的恒流环路的关断信号。

如图4所示，所述比例缓冲器204包括：运算放大器400、第四开关管401、第一分压电阻402和第二分压电阻403，所述运算放大器400的正相输入端用于输入所述采样电流信号213，所述运算放大器400的反相输入端连接至所述第四开关管401的第二端，所述运算放大器400的输出端连接所述第四开关管401的驱动端，所述第四开关管401的第一端连接输入电压信号vdd，所述第四开关管401的第二端连接所述第一分压电阻402的一端，所述第一分压电阻402的另一端通过所述第二分压电阻403连接信号地。

需要说明的是，当所述第一开关管301、第二开关管303、第三开关管306和第四开关管401均为n型开关管时，则每个开关管的驱动端为栅极，第一端为漏极，第二端为源极。

如图4所示，比例缓冲器204仅为一实施例，采用运算放大器400、第四开关管401、第一分压电阻402和第二分压电阻403构成，节点405的y处输出电压与运算放大器400的正相输入端节点x的输入电压对应关系如下所示：

其中，vy表示节点405的y处的电压，即比例缓冲器输出电压，x表示跨导运算放大器输出电压，ra表示第一分压电阻402，rb表示第二分压电阻403。

需要说明的是，节点405处通过一滤波电容404连接信号地。

对应各节点波形如图6所示。由此构成的负反馈闭环控制环路，即可实现将式维持在基准电压信号209，从而得到恒定的输出电流。

图5a为功率管导通信号发生器202的一个具体实施例，508表示来自基准电路201的偏置电压；第五开关管501、第六开关管502、第七开关管504和第八开关管505共同构成电流比较器，当输出电压反馈信号fb为负电压时，准谐振谷底导通信号(qr)509为低电平；当fb为零电平或者正电压时，准谐振谷底导通信号509为高电平；第九开关管503和第十开关管506共同构成反相器，将准谐振谷底导通信号509反相后输出得到准谐振谷底导通信号的非信号510，准谐振谷底导通信号的非信号510通过第一触发器507输出最终导通控制信号215。各信号对应波形如图7所示。

图5b是功率管导通信号发生器202的另一个具体实施例。输出电压反馈引脚fb电压与来自基准电路201的基准电压514，通过比较器511比较，当fb电压高于基准电压514时，比较器511的输出信号513为高电平；当fb电压低于基准电压514时，输出513为低电平，通过第二触发器512输出最终导通控制信号215。

需要说明的是，所述第五开关管501、第六开关管502和第九开关管503可以为p型开关管，所述第第七开关管504、第八开关管505和第十开关管506可以为n型开关管。

最终rs触发器208接收导通控制信号215和关断信号214，产生开关管逻辑控制信号210；功率管栅极驱动电路219，将开关管逻辑控制信号210转换为高压功率开关管驱动信号220，并通过恒流控制电路112的bd引脚输出，控制功率开关管113的导通与关断。

作为本发明的第二个方面，提供一种开关电源电路，其中，如图2所示，所述开关电源电路包括：整流滤波电路、rcd能量吸收电路111、变压器115、输出控制电路、功率开关管113和前文所述的恒流控制电路112，所述整流滤波电路与所述rcd能量吸收电路111以及所述恒流控制电路112连接，所述恒流控制电路112的输出端与所述功率开关管113的驱动端连接，所述功率开关管113和所述rcd能量吸收电路111均与所述变压器115的源边连接，所述变压器115的副边与所述输出控制电路连接，所述恒流控制电路112能够对所述采样电压信号进行处理后得到开关管逻辑控制信号以控制所述功率开关管的导通与关断。

本发明提供的开关电源电路，由于采用前文的恒流控制电路作为控制器，通过采样保持电路实现对采样电压信号进行采样和保持，通过跨导运算放大电路对采样保持电压在退磁时间信号的作用下进行控制得当采样电流信号，最后通过对采样电流信号进行处理得到开关管逻辑控制信号，通过开关管逻辑控制信号可以实现对功率开关管的导通与关断的控制，从而能够实现输出电流精度的调节，进而实现输出高精度电流。

具体地，如图2所示，为本发明的一个原边控制的开关电源电路的具体实施例，第一整流二极管101、第二整流二极管102、第三整流二极管103、第四整流二极管104和滤波电容105构成整流滤波电路，vdc表示经过整流、滤波后的直流高压；106表示高压启动电阻；107表示为恒流控制电路112提供电能的储能电容；108表示变压器辅助绕组整流二极管；109和110是输出电压反馈的两个分压电阻；111表示rcd能量吸收网络；113表示外置高压功率开关管；114表示变压器原边电感电流采样电阻；115是变压器；116是变压器副边输出绕组整流二极管；117是输出滤波电容；118是输出负载。vout是输出电压。

开关电源电路上电后，vin通过高压启动电阻106对滤波电容107进行充电，滤波电容107电压逐渐升高；当滤波电容电压上升到某一预设值后，恒流控制电路12开始工作。bd脚输出高电平控制功率管113导通；功率管113导通后，电流流过变压器115原边电感np储存能量；功率管113导通时，副边整流二极管116截止，输出负载电流由输出电容117上储存的能量提供。随着电感电流的增大，采样电阻114上电压逐渐增大，当电流达到恒流控制电路112内部预先设计的限流点后，恒流控制电路112的bd输出低电平控制功率管113截止；副边整流二极管116导通；变压器115将储存的能量以电流的形式通过输出绕组ns释放；输出电流为负载和输出电容117供电。因此，通过采样原边电感电流采样电阻114上的采样电压信号cs和输出电压反馈引脚fb电压fb，恒流控制电路112可以调节bd引脚的输出波形的导通时间，进而控制开关电源电路的输出功率。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。